多晶体衍射的实验方法-1

X射线粉末衍射仪中平板样品的准聚焦 (忽略X射线的轴向发散)
3、照相法
（1）德拜－谢乐法
（2）平面底片照相法
平面底片照相机可分为透射和背射两种，与劳厄相机相似。因此，多晶平 面底片照相也可以在劳厄相机上进行，主要优点是可以摄取完整的衍射圆环。
3、影像板
Wide-angle x-ray scattering apparatus, a 2D diffractometer at the Department of Physical Sciences, University of Helsinki, Finland The detector end of a simple x-ray diffractometer with an area detector. The direction of the x rays is indicated with the red arrow.
1、厄瓦尔德图解
2
多晶体衍射示意图
衍射线：是以入射线为公共轴的圆锥的母线，锥顶角为4 前反射区：透过样品，衍射线与入射线的夹角（衍射角2）<90 背反射区：辐射源与样品之间，衍射线与入射线的夹角（衍射角2）>90
样品由微小晶粒组成 晶粒取向完全无规则 各晶粒中d值相同的晶面取向分布于空间的任意方向 这些晶面对应的倒易矢量分布于倒易空间的各个方向 它们的倒易阵点分布在以倒易矢量长度为半径的倒易球面上 各等同晶面族{HKL}的倒易阵点分别分布在以倒易点阵坐标原点为球心的同心倒 易球面上
X射线衍射与仪器
（综合第5、6、7章）
一、单晶衍射（简介） 二、多晶衍射 1、成相原理（衍射几何）
2、照相法
3、衍射仪 三、X射线衍射谱
X射线衍射的实验方法分类
按样品类型：单晶衍射 多晶（粉末）衍射 按成相原理：劳厄法（多色X射线、静止的单晶） 转动晶体法（单色X射线、转动的单晶） 多晶（粉末）衍射（单色X射线、静止或振动的多晶、粉末） 按记录方式：照相法（照相底片记录衍射花样）
圆、圆和圆用于调节晶体的取向，使某 一指定的晶面满足衍射条件，同时调节2圆， 使衍射线进入计数器中（常用闪烁计数器作 探测器）。
/atomiccontrol/education/xray/xray_diff.php
二、多晶衍射（粉末衍射）
1、厄瓦尔德图解 2、衍射几何 2、照相法
/X-Ray+Diffraction+Analysis
3、四圆衍射仪
入射光和探测器在一个平面内（称赤道平面）, 晶体位于入射光与探测器的轴线的交点， 探测器可在此平面内绕交点旋转，因此只有那些法线在此平面内的晶面族才可能通过样品和 探测器的旋转在适当位置发生衍射并被记录。 如何让那些法线不在赤道平面内的面族也会发生衍射并能被记录呢？办法是让晶体作三 维旋转，有可能将那些不在赤道平面内的晶面族法线转到赤道平面内，让其发生衍射，四圆 衍射仪正是按此要求设计的。 此法曾经是二十世纪八，九十年代的主要实验方法。此衍射仪的特点是用闪烁计数器逐 点记录各衍射，因此比较费时，常常需要几天甚至超过一个星期的时间。
3、衍射仪
辐射源：单色X射线（标识谱）
样
品：粉末样品（尺寸：10-3~10-5cm，静止、旋转或振动）
多晶样品（块、片、丝） （静止或旋转）
记录方式：照相法（底片：德拜-谢乐法、针孔法、聚焦法、影像板） 衍射仪法（探测器：电离室、气体计数管器、闪烁计数器、固体 探测器、阵列探测器、位敏探测器、CCD ）
背射法
http://202.141.40.218/wiki/index.php/Unit-2:_Introduction_to_X-ray_diffraction
/albums/history/15246891.html#0$0ef21124da8ae274c89559d1
西曼-包林几何（ Seemann-Bohlin S-B ）
② 晶体单色器与单晶聚焦 平晶单色器：利用单晶体的衍射性质，按满足2dsin= ，得到单一波长的 辐射。可分开K1， K2， K 。只能利用入射光束中的平行光部分 弯晶单色器：将单晶体表面弯曲成曲面，与平晶单色器相比，同时还具有 聚焦作用
1、劳厄法
晶带轴
晶带轴
O*
晶带
倒空间中过一个倒易点阵座标原点的平面上的倒易结点代 表的晶面，在正空间中属于 同一个晶带
O* 晶带轴
晶带轴
晶带轴
同一晶带的倒易结点位于过原点的倒易结点平面上。对劳厄法而言，同一晶带的倒易结点 线段构成一个过原点的倒易结点线段平面。这个平面与反射球相交，其交线是一个圆。从 反射球心向这个交截圆连线（即衍射线方向），形成一个晶带衍射圆锥。晶带衍射圆锥的 轴即为晶带轴，入射线是晶圆锥的一条母线。
衍射测角部分是衍射仪器的核心部分 入射线光路测角器和样品架
衍射线和光路
探测器
（1）入射线光路
对X射线源发生的原始X射线束进行加工处理，控制其光谱性能、光束的发 散度、光束的尺寸等。 由各种反射镜、单色器、狭缝等光学元件组成 （2）测角仪和样品架： 测角器：安放试样、规定衍射中各种几何关系的装置 样品架：安装试样并给试样创造一定环境条件的装置。环境条件包括温
倒易球
hkl
衍射 线
反射球与倒易球相交时，其交线为
垂直于入射线的圆 从反射球的球心向这些圆周连线， 组成数个以入射线为公共轴的共顶圆锥， 圆锥的母线即是衍射线方向。锥顶角为 4，这些共顶圆锥称为衍射圆锥。
反射球
4
入射线
1/
hkl O*
多晶体衍射的厄瓦尔德图解
2、衍射几何 （1）德拜－谢乐衍射几何（D-B） （2）聚焦几何 ① 西曼－包林衍射几何（S-B） ② 晶体单色器与单晶聚焦 ③ 纪尼叶衍射几何 （3）布拉格－勃朗泰诺衍射几何（B-B）
度、压力、气氛或机械运动（转动、振动或拉伸等）。
（3）衍射线光路 排除散射线、提高衍射线的信噪比、控制进行探测器的信号强度。 由散射狭缝、索拉狭缝、晶体单色器、接收狭缝等光学元件组成 （4）探测器 探测衍射X射线并测量其强度，包括探头（计数管）和前置放大器等 一般，依据衍射几何，试样需要相对于入射光束作某种转动，探测器也跟
平晶单色器
弯晶单色器
③ 纪尼叶衍射几何 纪尼叶相机是将弯曲晶体单色器 与聚焦相机结合而成的衍射方法。
（3）布拉格－勃朗泰诺衍射几何（B-B）
http://www-crismat.ensicaen.fr/spip.php?article478&lang=en
http://www.dep.fmph.uniba.sk/mambo/index.php?option=content&task=view&id=259
3、衍射仪 接受和记录衍射X射线，以获得试样结构信息的仪器。
X射线衍射仪的四大组成部分： 入射线源：发生X射线 衍射测角部分：实现和探测X射线衍射 计数和记录电路：衍射花样记录和强度测量 计算机系统：控制衍射仪运转、处理和储存数据、数据分析等
（1） 高稳定度X射线源
提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质
衍射仪法（辐射探测器记录衍射线）
一、单晶衍射（简介）
1、劳厄法：多色X射线、静止的单晶 2、转动晶体法：单色X射线、转动的单晶
周转晶体法、回摆法、韦森堡和旋进照相法
四圆衍射仪法（晶体三维转动）
silicon crystal
透射法
/diffraction/x-ray/
可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度 （2） 样品及样品位置取向的调整机构系统。样品须是单晶、粉末、多晶 或微晶的固体块。 （3） 射线检测器 检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录 系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。 （4） 衍射图的处理分析系统 现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图 处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。
O* 晶带轴
Al单晶劳厄像（透射） 由于底片垂直人射线而不垂直晶带轴，因此晶带来自射圆锥与底片相交的交线为过底片中
心的椭圆，而不是正圆。凡是位于同一椭圆上的劳厄班点都属于同一个晶带。
晶带椭圆的大小取决于晶带轴与入射线的夹角。随角的增大，晶带椭圆增大。当＜ 45时，所得到的即是过原点的椭圆；当 =45时，得到的是抛物线；当90＞＞45时，在 背射劳厄像上得到双曲线，当=＝90时，则得到的是过底片 中心的直线。
（1）德拜－谢乐衍射几何（D-B）
德拜－谢乐衍射粉末衍射示意图 （a）圆锥状衍射 （b）展开的环状底片
（2）聚焦几何 ① 西曼－包林衍射几何（S-B） S-B相机：扁的金属圆筒 照相底片：衬于圆筒内壁
样品：与圆筒曲率相同的弧形板，其
表面与圆筒内壁一致 发散度较大的入射 X 射线束，照射试 样上较大区域，由粉末多晶试样中多 个晶粒的同hkl面满足衍射条件，发生 的衍射在照相底片上可聚焦集中到 F 点。
Al单晶劳厄像（背射）
http://202.141.40.218/wiki/index.php/Unit-2:_Introduction_to_X-ray_diffraction
2、转动晶体法
/x-ray+diffraction
Figure 3. Schematics of X-ray* cameras for investigating single crystals: (a) camera for investigating stationary single crystals by the Laue method, (b) rotating camera, (c) camera for determining the dimensions and form of the unit cell; (S) specimen, (GH) goniometric head, (7) graduated circle and axis of rotation of the goniometric head, (CL) collimator, (C) cassette containing photographic film PF, (CB) cassette for obtaining back-reflection photographs, (MR) mechanism for rotating or oscillating the specimen, (Φ) graduated circle and axis of oscillation of the specimen, (δ) arc guide for inclination of axis of the goniometric head. In the schematic of the rotating camera, diffraction maxima lying on the layer lines can be seen on the photographic film; when rotation is replaced by oscillation of the specimen, the number of reflections on the layer lines is limited by the angle of oscillation. Rotation of the specimen is accomplished by means of the gears 1 and 2; oscillation is produced by the cardioid 3 and lever 4.
/wiki/File:2D_x-ray_diffractometer_at_University_of_Helsinki_in_English.JPG
（4）平面探测器
/new/html/howitworks.html